Озон в тропосфере

В предыдущей статье я рассказала об озоновом слое, который защищает все живые организмы на Земле от губительного жесткого (коротковолнового) излучения, об озоновых дырах, которые периодически появляются. Этот слой располагается в стратосфере на высоте около 30 км.

Тропосферный озон

Но озон содержится и в нижнем слое атмосферы − тропосфере (слой от земли до 10-16 км по высоте). Если стратосферный озон периодически уменьшается, то количество тропосферного озона растет, и это очень беспокоит ученых.

Озон токсичен, и его увеличение в тропосфере имеет негативные последствия. Концентрация озона 100 млрд-1 (сто частей на миллиард) уже является повышенной и вызывает необратимые изменения в органах дыхания человека через 1 час. При концентрациях более 50 млрд-1 озон оказывает угнетающее действие на растения. В последние десятилетия интерес к проблеме атмосферного озона растет, поскольку постоянно увеличивается его количество в тропосфере и периодически уменьшается в стратосфере. Первоначально предполагалось, что основным источником тропосферного озона является перенос из стратосферы.

Изображение Clker-Free-Vector-Images с сайта Pixabay

Позднее, в 70-х годах XX в. было обнаружено, что в определенных условиях может происходить активная генерация озона в загрязненном воздухе, и это вносит существенный вклад в баланс озона в тропосфере. За последнее столетие концентрация озона в тропосфере увеличилась в Северном полушарии более чем в 2 раза.

Кроме антропогенных, есть и природные источники озона, например, в России это огромные лесные массивы и увлажненные равнины.

Изображение Keli Black с сайта Pixabay

Проблема озона и его влияния на климат и на человека сложным образом связана с процессами его образования и разрушения в результате фотохимических реакций, с его действием на биосферу, с процессами переноса воздушных масс в тропосфере.

В последние годы ведется работа по анализу и систематизации данных наблюдений. Установлено, что в летний период концентрация озона выше, чем зимой. Как правило, в сельской местности озона больше, чем в городах. В воздухе, содержащем продукты горения биомассы, также может происходить интенсивное образование озона. Однако, предстоит узнать еще очень много, прежде, чем человек поймет механизм пространственного распределения озона.

Рис. 1. Образец ледяного керна из Антарктиды, участвовавший в исследовании. Фото из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

В последние десятилетия скорость роста концентрации тропосферного озона в среднем по планете составляет примерно 1–2% в год. Это увеличение связано прежде всего с антропогенными выбросами метана (СН) и свободных радикалов оксида азота (NOX), являющихся прекурсорами озона, и с загрязнением этими выбросами приземного слоя воздуха в больших городах и индустриальных центрах, что зачастую является причиной образования «озонового смога» над городами. Существующие модели показывают, что такое увеличение содержания тропосферного озона (без учета прочих факторов) приведет к весьма существенному изменению (стойкому повышению) средней температуры на Земле (за счет парникового эффекта) по крайней мере на 4–5°С за ближайшее столетие в Северном полушарии.

Это предсказание пока выглядит слишком невероятным, но если в его пользу появятся новые данные, то проблеме тропосферного озона должно будет уделяться не меньшее внимание, чем проблеме СО. Дело в том, что эти модели, как правило, строятся на экстраполяции в прошлое результатов наблюдений за последние десятилетия. Для построения надежных моделей нужны исходные данные по содержаниям озона в тропосфере за более длительный период, которых в распоряжении у ученых нет.

Тропосферный озон

Говоря об озоне (О) в атмосфере, обычно разделяют тропосферный и стратосферный озон. Тропосфера — нижний слой атмосферы, высота которого в полярных областях составляет 8–10 км, на экваторе — 16–18 км. Над тропосферой расположена стратосфера (в среднем до высоты 50 км). В стратосфере располагается так называемый озоновый слой, защищающий поверхность Земли от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. В стратосферном озоновом слое, расположенном на высоте от 20 до 30 км, содержится около 90% всего атмосферного озона, а его роль для всего живого весьма велика. Озоновый слой образовался в атмосфере Земли 500–600 млн лет назад, когда в ней вследствие фотосинтеза накопилось достаточно кислорода. Лишь после его образования жизнь (включая растения) смогла выйти на поверхность Земли из океанов, а без этого высокоразвитые формы жизни, включая человека, не возникли бы.

А вот тропосферный озон, хоть и составляет не более 10% от всего атмосферного озона, токсичен для людей, животных и растений (он, например, вызывает необратимые изменения органов дыхания). К тому же тропосферный озон — сильный парниковый газ, изменение концентрации которого в нижних слоях атмосферы оказывает существенное влияние на климат планеты.

Регулярные прямые наблюдения за составом атмосферы начались в конце 1950-х годов в погодной обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях, и лишь в 1990-х годах количество станций наблюдения в мире увеличилось настолько, чтобы можно было говорить о создании глобальной сети наблюдений. Однако единичные замеры состава атмосферного воздуха (в том числе озона) делались и ранее, начиная с 1850-х годов (обсерватория Пик-дю-Миди во Франции и другие станции наблюдений). Результаты этих замеров, которые обычно использовались в качестве реперных точек для определения доиндустриальных концентраций парниковых газов в атмосфере, показывают, что концентрация озона в XIX веке была очень низкой и увеличились на 300% в течение ХХ века. Ученые, занимающиеся химией атмосферы, всегда ставили под сомнение такие высокие темпы роста содержания озона за прошедшее столетие, но фактов, опровергающих это, до последнего времени не было.

Недавно международная группа ученых во главе с Лоуренсом Юном (Laurence Yeung) из Университета Райса в США предложила новый метод оценки палеокоцентрации озона в нижних слоях атмосферы на основе анализа изотопного состава кислорода в газовых включениях в ледяных кернах Антарктиды и Гренландии, охватывающих период с 1590 по 2016 год (рис. 1). Результаты опубликованы в журнале Nature.

Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: O (99,759%), O (0,037%) и O (0,204%). Процесс производства тропосферного озона при фотохимическом окислении соединений углерода, таких как метан (СН) в присутствии свободных радикалов оксида азота (NOX) меняет пропорцию этих изотопов в атмосферных молекулах кислорода, что отражается в изотопной летописи кислорода, захваченного в составе пузырьков воздуха ледниками.

Это значение в целом соответствует данным климатических моделей, на основе которых делаются глобальные прогнозы изменения климата, используемые на всех уровнях, в том числе Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК), по результатам которых формируется мировая климатическая политика (рис. 2).

Рис. 2.

Что же было не так с прямыми измерениями концентрации озона в атмосфере, которые проводились в XIX веке? Почему они не являются достоверными? Измерения в то время проводились с помощью так называемой «тестовой бумаги Шёнбейна».

Рис. 3.

Однако данный метод можно лишь условно считать количественным из-за отсутствия стандартизации и влияния на его результаты посторонних факторов — влажности, скорости ветра и содержания в атмосфере диоксида серы и других восстановителей, значительные объемы которых могли выбрасываться в атмосферу при активном сжигании угля, которое как раз имело место во второй половине XIX века в Европе, где и производились все измерения.

В противоположность методу Шёнбейна, современные геохимические модели учитывают все факторы, влияющие на круговорот озона в атмосфере (рис. 4).

Рис. 4.

Laurence Y. Yeung, Lee T. Murray, Patricia Martinerie, Emmanuel Witrant, Huanting Hu, Asmita Banerjee, Anaïs Orsi, Jérôme Chappellaz. Isotopic constraint on the twentieth-century increase in tropospheric ozone // Nature. 2019. V. 570. РР. 224–227. DOI: 10.1038/s41586-019-1277-1.

Владислав Стрекопытов

Озон Оз является компонентом атмосферы, присутствие которого в. небольших количествах исключительно важно для жизни. Благодаря поглощению солнечного ультрафиолетового излучения стратосферным озоном (нижняя граница стратосферы— от 8 им над полюсами до 17 км над экватором, верхняя — на высоте около 50 км) биосфера защищена от вредного излучения, а поглощение инфракрасного излучения тропосферным озоном (тропосфера — нижний слой атмосферы, 8… 17 км от поверхности Земли) поддерживает глобальный температурный баланс. При этом фотохимическая активность озона влияет на химический состав как стратосферы, так и тропосферы.[ …]

Говоря об озоне, обычно выделяют тропосферный озон и стратосферный озон. В тропосфере содержится лишь небольшая доля общего количества озона, находящегося в атмосфере. Эта доля зависит от многих обстоятельств и составляет от 8 до 15%.[ …]

Превышение ПДК тропосферного озона в 3—4 раза при длительном воздействии на человека вызывает необратимые изменения органов дыхания (эффект «старения»). По экспертным оценкам каждый потерянный процент стратосферного озона в масштабах планеты вызовет 150 тыс. дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6% увеличится количество раковых заболеваний кожи. УФ-Б излучение подавляет иммунную систему организма, вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей и других мелких организмов, обитающих на поверхности океана.[ …]

К гетерогенным реакциям озона, на которых мы вкратце останавливались выше, стали проявлять пристальный интерес в последние годы в связи с расчетом моделей озоносферы. Принципиальное значение для исследований проблемы тропосферного озона имеют расчеты глобального стока озона у поверхности Земли. По обобщенным данным , значения потока озона (в спокойном воздухе), направленного к поверхности, могут меняться в пределах двух порядков. от 1010 см»2 • с-1 для морской воды умеренных широт до 1012 см-2-с-«1 для кустов можжевельника.[ …]

В фотохимии тропосферы (и тропосферного озона) еще мало изучены очень важные источники фотохимических активных газов и их связь с климатом и его изменениями, причем эти источники и связи весьма различны в разных регионах суши и моря. Вообще фотохимия тропосферы более сложна и менее изучена, чем фотохимия стратосферы, хотя и более важна как среда обитания человека и биоты. Поэтому фотохимия глобальной тропосферы включена как первая и одна из основных подпрограмм — «Международная программа глобальной химии атмосферы» — в известную Международную геосферно-биосферную программу (МГБП) «Глобальные изменения», начатую в конце 80-х годов и намеченную к выполнению в течение 90-х годов.[ …]

Скорость роста количества тропосферного озона в последние десятилетия составляла примерно 1-2% в год. При этом отмечались сильные сезонные изменения, равные 20-30%. Увеличение количества озона в тропосфере вносит определенный вклад в усиление парникового эффекта за счет поглощения мягкого ультрафиолетового излучения и образования некоторых газов, в первую очередь диоксида углерода, обладающих способностью поглощать тепловое излучение.[ …]

При этом можно ожидать повышения концентрации тропосферного озона до 160 млрд-1. Возможно образование смога в глобальном масштабе. Такое увеличение содержания тропосферного озона, этана и других малых примесей в тропосфере приведет к весьма существенному изменению (стойкому повышению) средней температуры на Земле (за счет парникового эффекта) и по крайней мере на 4—5 °С в северном полушарии . Эти данные получены путем линейной экстраполяции данных работ [11, 17].[ …]

Однако кроме приведенных источника и стока для тропосферного озона имеются альтернативные. Их существование проявляется прежде всего в повышенных концентрациях 03 в воздухе городов, временами достигающих 101Я см 3, а также в особенности пространственно-временного распределения этого оксиданта над обширными регионами нашей планеты.[ …]

Рассмотрим влияние увеличения содержания СН4, СО и Н2 на тропосферный озон. Помимо прямого участия СН4 и СО в формировании озона существенное увеличение его концентрации может быть обусловлено уменьшением концентрации ОН и НО2, которые являются окислителями СН4, СО и других малых газов и, кроме того, входят в фотохимический сток озона (см. п. 3.2).[ …]

Важно отметить, что в последние десятилетия количество озона в тропосфере увеличивается. И это увеличение связано с антропогенными источниками, с проявлением глобального экологического кризиса, с загрязнением приземного слоя атмосферы больших городов и индустриальных центров. В знаменитом лос-анжелесском смоге концентрация озона примерно в 20 раз выше, чем за пределами Лос-Анджелеса. Образование тропосферного озона связывается с наличием в приземном слое атмосферы кислородных соединений азота, метана и окиси углерода.[ …]

В.. Раманатан (США) дал обзор предполагаемых влияний изменений количества и вертикального распределения -озона на климат. Он, считает, что тропосферный озон имеет при этом такое же значение для повышения средней по полушарию температуры прйземного слоя воздуха, как и стратосферный, хотя количество последнего на порядок больше. Как полагают Ванг, Ко и Це (США), накопление метана СН4 и закиси азота Ы20 в атмосфере также должно сказаться на изменениях озона и климата. Таким образом, проблема климата становится в очень сложную связь с изменениями состава атмосферы.[ …]

Формирование смога и образование оксиданта обычно останавливается при прекращении солнечной радиации. Так, в Москве при обычных условиях концентрация тропосферного озона достаточно низкая. Генерация озона из оксидов азота и углеводородных соединений вследствие переноса воздушных масс и повышение его концентрации происходят на расстоянии 300—500 км от Москвы (в районе Н. Новгорода).[ …]

Одна из наиболее серьезных проблем — изменение климата. Главные ее причины — накопление в атмосфере парниковых газов (в первую очередь диоксида углерода С02, метана СН4, тропосферного озона 03, закиси азота N20, фреонов и некоторых других газов). Изменение климата может привести к серьезным последствиям: деградации земель в ряде регионов; потерям урожая; увеличению частоты и интенсивности ураганов и бурь, опасности сильных паводков и засух; таянию части ледников; повышению уровня моря и изменению количества осадков; сокращению продуктивности Мирового океана.[ …]

Исследователь, знающий, какова точность используемых им данных, не сделает выводов или открытий, от которых впоследствии ему придется отказываться. В нижнем слое последней заметно возрастает и относительная изменчивость а (р3)/р3. Выше 400 мбар изменчивость тропосферного озона резко возрастает.[ …]

В тропосфере максимум концентрации наблюдается в летние месяцы, что было бы несколько неожиданно, если не учесть сезонных различий в режиме обмена между тропосферой и стратосферой, так как такой обмен считается источником тропосферного озона. Указанное явление, с другой стороны, может служить основанием для поисков внутритро-посферных источников образования озона. В этом отношении показательны работы Бритаева , обнаружившего хорошую корреляцию озона в тропосфере с увеличением инсоляции. Каталитическое действие некоторых примесей, Ь том числе и антропогенного происхождения в нижних слоях тропосферы, безусловно ведет к локальному росту концентрации озона в нижней тропосфере. Пример тому — смоговые явления в городах с их повышенной концентрацией озона.[ …]

Метан является вторым по удельному содержанию парниковым газом и оценивается в настоящее время в 20-25 %. Вклад углекислого газа в парниковый эффект составляет 43 %, фреона — 14 %, закиси азота — 5%, прочих газов (фторхлоридуглеводорода, тропосферного озона и др.) — 13 %.[ …]

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.[ …]

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, галогенуглеро-ды (фреоны), метан и тропосферный озон. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22—25 млн. т в год. Объем этих выбросов за последние 10 лет ежегодно сокращается на 300—600 тыс. т. Сокращение выбросов обусловлено главным образом повсеместным спадом промышленного производства, особенно в добывающих и ресурсоперерабатывающих отраслях. Позитивную роль в этих условиях сыграла относительная стабильность добычи и использования газа — экологически чистого топлива.[ …]

Полученные данные показывают надежность измерений малых примесей с поезда, что открывает широкие возможности дальнейших исследований в области химии атмосферы. Проведенные наблюдения впервые позволили проследить распределение над обширным континентом Евразии тропосферного озона, окислов азота и метана. Полученные данные будут в дальнейшем подробно проанализированы. Очевидно, они позволят уточнить сведения об источниках, стоках и фотохимических взаимодействиях этих газов. Мы надеемся в будущем сделать такие наблюдения систематическими, существенно расширив число измеряемых примесей и других атмосферных параметров.[ …]

Атмосфера Земли загрязнена огромным количеством продуктов человеческой деятельности — промышленности, автотранспорта и коммунально-бытового хозяйства. Наиболее распространенные загрязнители воздуха: взвешенные частицы; летучие органические соединения; оксиды углерода, серы, азота; тропосферный озон; свинец и другие тяжелые металлы. В некоторых городах загрязнение воздуха достигает такого высокого уровня, что заметно повышается смертность (например, в Лондоне, Нью-Йорке).[ …]

В ряде работ рассчитано возможное повышение температуры за счет малых газовых составляющих. Так, в работе показано, что удвоение по сравнению с современным содержания М20 в атмосфере может привести к повышению средней температуры приземного слоя атмосферы на 0,72 °С, удвоение содержания СН4 — на 0,37 °С, удвоение содержания тропосферного озона — на 0,67 °С.[ …]

---

Информация получена с сайтов:

, , ,